(57)【要約】【課題】熱効率の向上を図り得る発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】排ガスの持つ熱を熱源とするスターリングエンジンにより発電機を駆動させて発電を行う発電システムであって、スターリングエンジン１の高温部を収容して加熱室１１を形成するケーシング２の内部に、排ガスを導く二重管構造の加熱管１４を挿入させたものである。【選択図】      図１
2006017022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスの持つ熱を熱源とするスターリングエンジンにより発電機を駆動させて発電を行う発電システムであって、
スターリングエンジンの高温部を収容して熱交換室を形成するケーシングの内部に、排ガスを導く加熱管を挿入させたことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
加熱管として、Ｕ字管または二重管を用いたことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
加熱管の少なくとも外表面にセラミックをコーティングしたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項４】
ケーシングに対して加熱管を着脱自在に構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジンを用いた発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物の焼却によって生じた排熱を利用した発電システムとしては、蒸気タービンを用いたものがあり、また廃棄物を熱分解することによって可燃性ガスを回収するとともに、この可燃性ガスをガスエンジンに導き燃焼させることにより発電機を回転させるようにしたものもある。
【０００３】
ところで、クリーンなものとして、スターリングエンジンを用いた発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に開示された発電システムにおいては、低温の清浄空気を管状の加熱室部分（加熱通路）内に導くとともに、その外側を流れる高温排ガスにより加熱された（所謂、ガス−ガス熱交換にて加熱された）加熱室部分内を流れる空気により、スターリングエンジンの高温部が加熱されている。
【特許文献１】特開２００３−２０９９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記蒸気タービンによる発電は、ごみ焼却量が１００ｔ／ｄ以下では効率が著しく低下するため、小型の焼却炉では実用的ではない。また、廃棄物を熱分解させた場合には、可燃性ガスを回収することができるが、顕熱については有効利用がされていない。
【０００５】
一方、排ガスを用いてスターリングエンジンによる発電を行うシステムについては、排ガスには腐食性成分が含まれており、スターリングエンジンの高温部での腐食が懸念されるとともに、排ガス中のダストの付着による伝熱性の低下、またはダストによる摩耗損傷などが発生する虞がある。
【０００６】
そこで、特許文献１においては、スターリングエンジンの高温部を加熱するのに、煙道内を流れる高温排ガス→炭化珪素により構成された加熱室部分内を流れる空気→スターリングエンジンの高温部の順番に熱が移動することにより、スターリングエンジンにおける作動流体の加熱が行われており、非常に、熱効率が悪いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、熱効率の向上を図り得る発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発電システムは、排ガスの持つ熱を熱源とするスターリングエンジンにより発電機を駆動させて発電を行う発電システムであって、
スターリングエンジンの高温部を収容して熱交換室を形成するケーシングの内部に、排ガスを導く加熱管を挿入させたものである。
【０００９】
また、請求項２に係る発電システムは、請求項１に記載の発電システムにおける加熱管として、Ｕ字管または二重管を用いたものである。
また、請求項３に係る発電システムは、請求項１または２に記載の発電システムにおける加熱管の少なくとも外表面にセラミックをコーティングしたものである。
【００１０】
さらに、請求項４に係る発電システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載の発電システムにおけるケーシングに対して加熱管を着脱自在に構成したものである。
【発明の効果】
【００１１】
上記の構成によると、スターリングエンジンにおける高温部を収容する熱交換室内に排ガスが導かれる加熱管を配置したので、排ガスが有する熱は、輻射によりスターリングエンジン側の作動流体に伝わるため、高温部と加熱管との間に例えば清浄空気を供給して高温部を加熱するようにしたものに比べて、排ガスによる高温部側での腐食の防止を図った上で、熱効率を向上させることができる。
【００１２】
また、加熱管の表面にセラミックをコーティングすることにより、輻射効率を向上させることができる。
さらに、ケーシングに対して加熱管を着脱自在に構成したので、加熱管に腐食が発生したり、ダストが付着した場合には、容易に交換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る発電システムについて説明する。
本実施の形態に係る発電システムは、例えば焼却炉から排出される高温の燃焼排ガスをスターリングエンジンの高温部に導きその作動流体を加熱して当該スターリングエンジンを駆動させ、そして発電機を回転させて発電を行うものである。勿論、作動流体はスターリングエンジンの低温部にて冷却される。
【００１４】
なお、本発明の要旨は、スターリングエンジンの高温部（加熱部である）にあるため、この部分に着目して説明するとともに、焼却炉、発電機などの他の構成については、その説明を省略する。
【００１５】
図１に示すように、この発電システムに用いられる、すなわち発電機を回転させるスターリングエンジン１には、例えば作動流体としてヘリウムガス（熱の移動が早い分子量の小さいガスが用いられ、例えば水素などでもよい）が充填された作動流体室が形成されるとともにピストンが移動自在に配置されたシリンダ（筒状のケーシングでもある）２が具備されており、またこのシリンダ２の上部作動流体室側が高温部（高温加熱部ともいう）Ｈにされるとともに、下部作動流体室側（または、下部作動流体室に連通する空間室）が低温部（低温冷却部ともいう）にされている。
【００１６】
上記高温部について説明すると、シリンダ２の上方全体を覆う（収容する）ことにより加熱室（熱交換室の一例）１１を形成するケーシング１２が設けられるとともに、このケーシング１２内の加熱室１１には、多数の逆Ｕ字状の伝熱管１３が上方から見て環状に配置されるとともに、これら環状に配置された伝熱管１３群の中心部に加熱管１４が位置するようにケーシング１２の上壁部を挿通して（加熱室内に挿入されて）且つフランジ部１５を介して取り外し可能に取り付けられている（着脱自在にされている）。
【００１７】
上記伝熱管１３は作動流体を加熱するためのもので、その一端側はシリンダ２の上部に接続（上部作動流体室に連通）されるとともに他端側は低温部に接続（連通）されており、作動流体が高温部と低温部との間で循環するようにされている。
【００１８】
上記加熱管１４は二重管構造にされており、その外側通路（環状通路である）１４ａには、焼却炉からの高温の排ガスが導入されるとともに、内部先端の連通部１４ｂを介して内側通路１４ｃに入り、当該内側通路１４ｃから排ガスが外部に導出されるように構成されている。
【００１９】
また、この加熱管１４は炭化珪素（ＳｉＣ）により構成されて、熱の輻射が行われ易いセラミック材料が用いられている（なお、輻射に限れば、少なくとも加熱管１４の外面に炭化珪素がコーティングされていればよい）。
【００２０】
なお、図１においては、シリンダ２が１個だけの場合を示したが、通常、複数個例えば同一円周上に４個配置されるとともに加熱管１４はその中央に配置されており、また図示しないが、各伝熱管１３のシリンダ２側（高温部側）の端部および低温部の端部には、それぞれ環状の内側ヘッダおよび外側ヘッダが設けられて、これらヘッダを介して、それぞれシリンダ２の上部作動流体室および低温部に接続されている。
【００２１】
上記構成において、高温の排ガスが加熱管１４に供給されると、外側通路１４ａに流入して当該加熱管１４の表面を加熱する。そして、この加熱管１４からの輻射熱により、その周囲に環状に配置された伝熱管１３群を加熱し、その内部を流れる作動流体が加熱される。
【００２２】
この加熱された作動流体は、シリンダ２内に導かれてピストンを押し下げた後、低温部に移動して冷却される。
すなわち、作動流体が加熱および冷却されるため、作動流体が充填されたシリンダ２内のピストンが往復移動され、最終的に、このピストンの往復移動が回転運動に変換されて、発電機を回転することにより発電が行われる。
【００２３】
ここで、本実施の形態の構成および従来の構成に対して熱的考察を行った結果について説明する。
発電機に対して十分なエネルギー、例えば５０ｋＷ相当のエネルギーを供給する場合について試算すると、以下のようになる。
【００２４】
まず、従来の構成の場合について求める。
排ガスの入口温度が１０００℃（Ｔａｉｎ）、出口温度が９５０℃（Ｔａｏｕｔ）であり、清浄空気の入口温度が３００℃（Ｔｂｉｎ）、出口温度が９００℃（Ｔｂｏｕｔ）であり、加熱される空気量が１８０ｋｇ／ｈ（０．０５ｋｇ／ｓ）であり、また熱通過率については、高温であることから２０にすると、下記の計算式に示すように、約６ｍ２程度の熱交換面積が必要となる。
【００２５】
排ガスと清浄空気との対数平均温度差ΔＴｍ（℃）は、下記（１）式で求められる。
【００２６】
【数１】
2006017022.tif 000003
但し、（１）式中、ΔＴ１＝Ｔａｉｎ−Ｔｂｏｕｔ、ΔＴ２＝Ｔａｏｕｔ−Ｔｂｉｎである。
【００２７】
そして、スターリングエンジンに、５０ｋＷ（Ｅ）相当［２５℃基準（Ｔｓ）］の熱風を供給するものとすると、必要な風量Ｖ（ｋｇ／ｓ）は下記（２）式で求められる。
【００２８】
【数２】
2006017022.tif 000004
上記（２）式中、ｃは比熱（ＫＪ／ｋｇ・Ｋ）である。
【００２９】
したがって、熱交換部での交換熱量Ｑは下記（３）式で求められ、さらに必要となる熱交換面積Ａは下記（４）式で求められる。
【００３０】
【数３】
2006017022.tif 000005
但し、（４）式中、κは熱透過率（今回は２０を使用する）、ψは修正係数（今回は１．０を使用する）である。
【００３１】
次に、本実施の形態の構成の場合について求める。
この場合は、高温の排ガスで加熱された炭化珪素（所謂、セラミックである）よりなる加熱管１４をスターリングエンジンの高温部の直近に配置して、加熱管１４からの輻射熱によってスターリングエンジンの高温部、すなわち伝熱管１３群を加熱する場合を示す。
【００３２】
通常、輻射熱は絶対温度の４乗に比例するため、高温側の加熱管１４の温度を１０００℃、被加熱側である伝熱管１３を９００℃、輻射熱の放出率を０．８とすると、下記の計算にて示すように、約１．５ｍ２で５０ｋＷのエネルギーを供給することができる。
【００３３】
すなわち、輻射エネルギーＥは下記（５）式にて表される。
【００３４】
【数４】
2006017022.tif 000006
但し、（５）式中、εは黒度（セラミックの場合は０．８である。なお、金属の場合は０．３となる）である。
【００３５】
したがって、加熱管１４からの輻射エネルギーＥを求めると、下記（６）式のようになり、これに基づき、５０ｋＷ相当のエネルギーとなる面積Ａを求めると、下記（７）式のようになる。
【００３６】
【数５】
2006017022.tif 000007
すなわち、本実施の形態の構成とすることにより、従来の構成の場合に比べて、必要熱交換面積を大幅に減らすことができ、装置（発電システム）のコンパクト化（小型化）を図り得るとともに、装置（発電システム）の構造の簡単化を図ることができる。
【００３７】
上述したように、スターリングエンジンの高温部での加熱手段として、排ガスが導かれる加熱管１４からの輻射熱により、スターリングエンジン側の作動流体が流される伝熱管１３を加熱するようにしたので、従来の構成のように、排ガス側とスターリングエンジンの高温部との間に流される清浄空気を介して、熱伝達および熱伝導により加熱する場合に比べて、伝熱管１３側の排ガスによる腐食の防止を図った上で、熱移動経路において１ステップ効率化、すなわち熱効率の向上を図ることができ、したがってコンパクトで且つ構造が簡単な発電システムが得られる。
【００３８】
ところで、上記実施の形態の図１には、環状に配置された伝熱管１３の中央に加熱管１４を１本だけ挿入したものとして図示したが、図３および図４に示すように、例えば環状に配置された伝熱管１３群の内側および外側に、それぞれ複数本（例えば、内側に３本、外側に１２本）の加熱管１４を配置することもできる。勿論、この場合も、各加熱管１４はフランジ板１６を介してケーシング１２に取り外し可能に取り付けられている。
【００３９】
このように、伝熱管１３群を、その内側および外側に配置された加熱管１４群からの輻射熱により加熱するため、一層、効率の良い加熱を行うことができる。
なお、図５に示すように、伝熱管１３群の中央に配置される内側の加熱管１４については、各加熱管１４の外側通路１４ａ同士および内側通路１４ｃ同士を、それぞれ纏めて集合管部１４ｄ，１４ｅとして外部に接続するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態においては、加熱管として二重管を採用したが、例えば伝熱管のようにＵ字管を採用することもできる。
また、上記実施の形態においては、加熱管の材料として炭化珪素すなわちセラミック製のものを使用したが、例えば鋳鉄製、耐熱合金製などであってもよく、さらに鋳鉄製、耐熱合金製の加熱管の場合には、これらの表面に炭化珪素などのセラミックをコーティングしたものを使用してもよい。
【００４１】
さらに、上記実施の形態において、排ガス経路の途中に助燃バーナを設けておくことにより、排ガス温度が低い場合には、排ガス温度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電システムに用いられるスターリングエンジンの要部断面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】同スターリングエンジンの変形例に係る要部断面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】同スターリングエンジンの他の変形例に係る要部断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１      スターリングエンジン
２      シリンダ
１１      加熱室
１２      ケーシング
１３      伝熱管
１４      加熱管
１５      フランジ部
１６      フランジ板
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006017022.tif 000010
【図４】
2006017022.tif 000011
【図５】
2006017022.tif 000012